Hyperlens 综合显微镜和超分辨率成像的演示
September 8th, 2017
hyperlens 的应用是一种新型的超分辨率成像技术, 由于其在 real-time 成像中的优越性和常规光学的简单实现。在这里, 我们提出了一个描述球面 hyperlens 的制作和成像应用的协议。
该实验程序的总体目标是演示二维超透镜器件的制造过程和亚衍射成像。这种新颖的超分辨率成像技术具有实时成像和与传统光学器件的简单实现等优点。该方法可以帮助回答超分辨率成像领域的关键问题，例如对低于馏分极限的活细胞和动态纳米粒子进行成像。
HyperLens 是一种具有多层结构的特殊球面透镜，具有平坦的双曲线色散，支持高频信息的放大和类似光学元件的实时分辨率。球形超透镜的主要优点是它可以在可见频率下放大二维信息。球面超透镜也可以很容易地集成到传统显微镜中，而无需额外的复杂系统。
演示该程序的是我实验室的研究生 Dasol Lee 和 Inki Kim。首先，以 2， 000 rpm 的速度用正性光刻胶旋涂石英晶片，并在 60 摄氏度下烘烤 90 秒。然后，使用切割机将带有光刻胶的晶圆切割成 20 x 20 平方毫米大小的小块。
使用压缩氮气枪吹扫工件，以去除切割步骤产生的任何颗粒。接下来，将切割好的晶圆放入 45 摄氏度的去离子水超声波浴中 5 分钟。使用 45 摄氏度的丙酮超声波浴去除光刻胶层 5 分钟。
然后，将基材放入 45 摄氏度的异丙醇超声波浴中 5 分钟，以清洁基材。用压缩氮气枪干燥基材。要蚀刻掩模图案，首先将干净的石英衬底加载到高真空电子束蒸发系统中。
以每秒 2 埃的沉积速率沉积铬层。按下通风按钮对腔室进行通风。使用导电铜带将样品安装在聚焦离子束或 FIB 支架上。
然后，将 FIB 支架装入 FIB 室。关闭腔室门并按下泵按钮以排空腔室。在光束控制选项卡下选择 Beam On，然后为 FIB 模式设置离子束电流和加速电压。
打开离子束系统。在光束控制选项卡下选择 Beam On（光束打开），以打开电子束并使用软件以低放大倍率聚焦图像。然后，在扫描电子显微镜模式下，在导航选项卡下将工作距离设置为 4 毫米。
将支架的倾斜角度设置为 52 度，并在制造孔阵列掩模图案之前以不同的放大倍率拍摄 SEM 图像。在 patterning （图案化） 选项卡下，选择图案化区域并在铬层上制作一个 50 纳米的孔阵列。完成后，关闭电子束和离子束系统并冷却它们。
按下排气按钮，用氮气对腔室进行排气。然后，将支架从腔室中取出。接下来，将图案化的基板放入 1 到 10 个缓冲氧化物蚀刻剂中 5 分钟。
将图案化的基板放入去离子水中以清洁缓冲氧化物蚀刻剂。然后，用压缩氮气干燥样品。将图案化的基板放入铬蚀刻剂中，去除铬掩膜层。
最后，将图案化的基材放入去离子水中 5 分钟以清洁。按下电子束蒸发系统的排气按钮，等待排气结束。然后，在通风口后将图案化的基板加载到高真空电子束蒸发系统中。
关闭腔室门，按下泵按钮排空腔室。以每秒 1 埃的生长速度沉积银层，并沉积 15 纳米厚的银层。沉积银层后，将衬底冷却 5 分钟。
通过选择另一个坩埚来改变电子束蒸发系统的口袋，并以每秒 1 埃的生长速率沉积氧化钛层。然后，沉积 15 纳米厚的氧化钛层。沉积氧化钛层后，将基材冷却 5 分钟。
重复沉积步骤数十次循环，以沉积多层银和氧化钛。更换电子束蒸发系统的口袋，以 50 纳米的厚度沉积铬层。沉积铬层后，关闭电子束蒸发系统。
按下排气按钮，通过引入氮气对腔室进行排气。通风口后，打开腔室门，将支架从腔室中取出。剥离制造的 HyperLens 设备。
然后，关闭腔室门，按下泵按钮抽空腔室。将沉积有铬的超透镜安装到 FIB 铣削系统中，并按照制造商的说明形成纳米级结构。接下来，将传统的透射式光学显微镜放在光学平台上。
使用适配器将白色光源连接到显微镜照明路径。放置一个以 410 纳米为中心的光学带通滤光片。选择高倍率油浸物镜，并使用高质量的 CCD 相机获取图像。
将一滴浸油滴在物镜上。最后，在样品台上放置一个 HyperLens 并捕获图像。这里显示的是由银和氧化钛多层膜交替沉积而成的超透镜。
横截面图像显示，多层银和氧化钛薄膜以均匀的厚度沉积在半球形石英衬底上。由银和氧化钛组成的超透镜在 410 纳米的波长下具有出色的性能，因为堆叠多层膜的色散关系具有双曲色散曲线，如图所示。高空间波矢量分量可以沿超透镜的径向传播。
传统光学元件无法捕获的具有高频分量的小特征可以通过有限元仿真计算的超透镜传播到远场。制造完成后，超透镜可以集成到传统的显微镜系统中，如超透镜成像系统的简单示意图所示。将超透镜放置在物镜上。
为了演示超透镜，在超透镜的内表面刻有人工图案。结果显示了通过 HyperLens 捕获的图像。每种情况下的间隙尺寸从 160 纳米到 180 纳米不等。
分辨出亚衍射极限特征，并且可以确认超透镜的超分辨能力。超透镜的开发为超分辨率成像技术探索纳米级生物分子机制和无机纳米颗粒铺平了道路。观看此视频后，您可能对如何为自己的超分辨率成像系统制造高质量的超透镜和设置有很好的了解。
我们预计通过采用可扩展和可重复的制造方法，hyperlens 技术将在实用性上得到改进。该超透镜将使科学家能够实时观察纳米级发生的生物物理动力学，并在生物学、医学科学、材料科学和纳米技术等各种应用中用作下一代超分辨率成像。
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概述
本文介绍了球形超透镜的制造和成像应用协议，这是一种新型的超分辨率成像技术。超透镜在实时成像方面具有优势，并且可以轻松地与常规光学集成。
关键研究组成部分
科学领域
- 超分辨率成像
- 光学工程
- 显微技术
背景
- 超透镜是具有多层结构的球形透镜。
- 它支持高频信息的放大。
- 实时成像能力是一个显著优势。
- 它可以分辨远场中的光学信息。
研究目的
- 展示超透镜设备的制造过程。
- 展示其在亚衍射成像中的应用。
- 解决超分辨率成像中的关键问题。
使用的方法
- 制造二维超透镜设备。
- 与常规显微系统集成。
- 活细胞和动态纳米粒子的实时成像。
- 利用双曲色散进行放大。
主要结果
- 球形超透镜有效地放大了二维信息。
- 它在可见频率下运行。
- 展示了低于衍射极限成像的能力。
- 成功集成到现有光学系统中。
结论
- 球形超透镜是超分辨率成像的有前途的工具。
- 它简化了与常规光学的成像过程。
- 在生物成像和纳米技术中的潜在应用。
常见问题
Executive Industry Relevance
Super-resolution imaging addresses the diffraction limit barrier in conventional microscopy, enabling visualization of subcellular structures and dynamic processes at nanoscale resolution. The spherical hyperlens technique provides real-time, far-field imaging with straightforward integration into existing optical systems, reducing technical complexity for discovery workflows. This capability supports target validation and mechanistic de-risking by allowing direct observation of molecular interactions and nanoparticle behavior in live-cell environments.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses by resolving subcellular features below the diffraction limit.
- Operational Value: Supports functional target validation through direct visualization of molecular dynamics in live cells.
- Predictive Value: Enhances confidence in target engagement studies by providing real-time, label-free imaging of nanoparticle trafficking.
Screening & Assay Development
- Assay Readiness: Prepares validated biological systems for high-content screening by enabling quantitative nanoscale imaging.
- Reproducibility: Delivers standardized, real-time readouts across experimental conditions through consistent far-field magnification.
- Platform Integration: Facilitates scalable compound evaluation via compatibility with conventional microscopy and oil immersion objectives.
Translational & Preclinical Research
- Disease Relevance: Enables imaging of living cells and dynamic nanoparticles, supporting translational biomarker discovery in nanomedicine.
- Preclinical Continuity: Bridges discovery and preclinical validation by resolving subcellular mechanisms in disease-relevant models.
- Risk-Adjusted Decisions: Informs advancement choices by visualizing nanoparticle distribution and cellular uptake mechanisms.
Pipeline & Workflow Integration
The hyperlens method fits within the discovery continuum from early target validation through lead identification to preclinical studies, enabling nanoscale imaging at each stage.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification by resolving subcellular structures and molecular complexes.
- Screening: Provides assay-ready, quantitative outputs for compound screening via real-time, subdiffraction-limited imaging.
- Analytics: Generates spatial and temporal measurements of nanoparticle dynamics and molecular interactions for comparative analysis.
- Translational Research: Connects to preclinical work through disease-relevant imaging of living cells and nanoparticle behavior.
- Enterprise Reuse: Functions as a reusable imaging platform across projects due to simple integration with standard microscopes.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Reduces mechanistic ambiguity by enabling direct observation of nanoscale biological processes.
- Operational Value: Ensures standardization and reproducibility through consistent fabrication and imaging protocols.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by reducing late-stage biological risk through early nanoscale validation.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization by visualizing target engagement and nanoparticle efficacy in vivo-like conditions.
Implementation Considerations
- Requires expertise in thin-film deposition, electron beam evaporation, and focused ion beam milling.
- Needs access to high-vacuum deposition systems, FIB instrumentation, and optical microscopy with oil immersion objectives.
- Demands cross-team standardization for fabrication parameters and imaging conditions to ensure reproducibility.
- Involves adaptation considerations for different biological samples and nanoparticle types due to substrate and wavelength dependencies.
- Limited by the need for precise multilayer thickness control and wavelength-specific operation (e.g., 410 nm) as demonstrated in the protocol.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Title
1:18
Substrate Preparation
2:18
Etching the Mask Pattern, Wet-etching Process, and Removal of the Mask Layer
4:29
Multilayer Deposition, Nano-sized Object Inscription, and Imaging
7:11
Results: Fabrication Results and Capability of Super-resolution Imaging of the Hyperlens
8:51
Conclusion
